基于OpenRoads技術的新建水庫工程正向設計

李賢鋒

(廣東省水利水電科學研究院,廣州 510635)

BIM 技術是引入 “工業(yè) 4.0”、“互聯(lián)網(wǎng)+”概念 發(fā)展起來的一種多維信息模型大數(shù)據(jù)、全流程、智能化管理技術，是數(shù)字化水利工程的規(guī)劃設計、工程建設、運行管理一體化、信息化的最佳解決方案，將智能水利設施連接起來，組成智能化的基礎設施，服務于人類社會。BIM 技術的應用會帶來整個工作模式的變化[1-2]。Bentley 系列軟件中的 OpenRoads Designer是一款功能完善、全面詳細的工程設計BIM 軟件，適用于勘測、排水、地下設施和道路等長距離線性工程的三維建模，基于此特點可將 OpenRoads應用于水利工程中的線狀工程三維設計,OpenRoads 技術創(chuàng)新性地利用樁號驅(qū)動的方式，實現(xiàn)參數(shù)化模板建模，模型邊坡與地形自動融合，平面中心線、縱斷面設計和三維模型的聯(lián)動修改，實現(xiàn)了高效的參數(shù)化設計[3]。OpenRoads設計滿足全階段的正向設計要求，特別是在早期方案設計階段即可接入進行多方案比選，省時省力，避免成為完工后的翻模工具BIM，設計不局限于使用虛擬仿真技術呈現(xiàn)整個設計成果，真正變更設計手段，使用BIM設計方法，提取設計、施工過程數(shù)據(jù)與成果模型集成，進行項目“PEPCTO”模式的全生命周期管理是發(fā)展趨勢[4]。

1 工程概況

某新建水庫，大壩采用均質(zhì)土壩，壩頂高程為83.50 m，河床建基面最低高程為30.0 m，最大壩高為53.50 m，壩頂寬為7 m，壩頂長為280 m。溢洪道采用開敞式岸邊溢洪道，布置于大壩右岸120 m處，由進口段、控制段、泄槽段和挑流消能段組成，全長共為350.0 m。水庫引水隧洞布置于大壩左側(cè)，采用直徑為3.0 m，管進口設取水塔。上壩公路利用原有省道公路，對庫區(qū)南岸采石場邊坡進行加固處理，在邊坡馬道基礎上修建防汛公路合計總長1.5 km。大壩、溢洪道、引水隧洞及防汛道路均為線性工程，整個水庫水工建筑物完全適合采用OpenRoads進行設計(如圖1所示)。

圖1 水庫樞紐平面布置示意

2 OpenRoads正向設計流程

2.1 地形模型處理

地形模型 (TM) 在基礎設施和映射工作流中起著重要作用。OpenRoads 技術主要采用在地形擬合方面表現(xiàn)最出色的狄洛尼三角網(wǎng)構建原理，能讀取機載激光雷達獲取的點云數(shù)據(jù)和多種存儲地形數(shù)據(jù)的文件，如 .dat、.tin、.xml 文件，對原始數(shù)據(jù)進行檢查和修正處理，根據(jù)需要對地形進行剪切和融合[4]。

生產(chǎn)模型能滿足以下要求：

1) 三維模型完整，位置準確、具有現(xiàn)實性，與獲取的航空影像表現(xiàn)一致。

2) 三維模型分區(qū)塊生產(chǎn)時，接邊處不應出現(xiàn)斷層。

3) 水下區(qū)域和模型漏洞地方進行修補，使模型連續(xù)，不應存在漏洞。

利用實景模型的基礎上可以進行三維地形建立，免去項目前期現(xiàn)場測量的大部分工作量，降低了生產(chǎn)成本[5]。也可以利用已有平面測量圖，測量圖包括高程點、等高線及地貌特征線等，用圖層過濾器導入OpenRoads形成三維地形模型。對測量精度要求不高情況，OpenRoads目前也提供Esri、USGS、SRTM 3種形式的地形模型下載。在地質(zhì)分層不很復雜情況下，可以直接根據(jù)勘察鉆孔數(shù)據(jù)從 gINT 數(shù)據(jù)庫導入 OpenRoads環(huán)境中生成各地層模型。

2.2 創(chuàng)建土木平面和縱面幾何元素

OpenRoads技術始于道路工程，是以線性模型為驅(qū)動，基于線性設計理念，可以支持跨行業(yè)的BIM設計。流程中需要完成線路的平面曲線及豎曲線設計。水利工程一般采用交點法確定平面線路，如大壩的壩頂中心線、溢洪道的底板中心線、輸水管道的管道內(nèi)部中心線，平面確定后，可以同時在創(chuàng)建多個縱斷面視圖，進行多個縱斷面設計，對不同的縱斷面方案進行橫向比較[6]，如溢洪道采用不同的堰頂高程及泄槽坡度方案。

2.3 廊道設計

廊道是線性的不同于兩側(cè)基質(zhì)的狹長單元，具有通道和阻隔的雙重作用，在交通工程中通常指路廊，可以引申到水利工程中某個具體的線性建筑。在平縱線形和橫斷面模板完成后，將橫斷面模板沿路線拉伸可以完成廊道模型，對廊道進行橫斷面過渡、加寬設置，添加對應的土木單元能完成整體三維建模[7]。橫斷面模板是OpenRoads設計的核心，這是區(qū)別于一般BIM軟件的特點。

橫斷面是由組件、末端條件組成的模板文件， 其中末端條件是一個特殊的開放形狀組件，設計邊坡均使用此組件。可根據(jù)外部影響(如平面和縱面控件和末端條件)創(chuàng)建模板的變化，結合輔助線，自動采用不同類型的擋土墻。如溢洪道一般分為進水渠段、控制段及泄槽段，根據(jù)溢洪道結構特點，可以設置不同的溢洪道開挖橫斷面模板(如圖2～圖4所示)，廊道設計時把不同的模板設置到相應的樁號。在顯示規(guī)則表達式中支持各種顯示條件進行布爾組合。有挖方有填方模板需要建立挖方與填方的顯示規(guī)則，建立挖填過度組件，設置過度與挖填組件的特征覆蓋。指定末端條件嘗試求解的順序。不同溢洪道橫斷面模版中，頂部節(jié)點應進行命名重定義以實現(xiàn)導墻頂?shù)倪B續(xù)銜接。

圖2 溢洪道控制段開挖模版示意

圖3 溢洪道進水渠段開挖模版示意

圖4 溢洪道泄槽段開挖模版示意

2.4 切圖出圖及數(shù)字化交付

參考各專業(yè)模型，設計定稿后，OpenRoads可以根據(jù)樁號生成各專業(yè)所需的二維圖紙，與三維模型可以動態(tài)關聯(lián)，在三維模型改變時，二維圖形能隨之自動修改(見圖5)，提高出圖效率[8]。

圖5 道路及邊坡加固橫斷面切示意

3 新建水庫OpenRoads設計

3.1 土壩的設計要點

大壩壩頂寬度保持7.0 m(含防浪墻)，于上游54.5 m高程處設一寬為7 m的平臺，該平臺以上采用粘土砌筑，坡比為1∶2.75，采用干砌石護坡，平臺以下采用堆石體砌筑，壩坡坡比為1∶1.5。下游壩坡分別在高程69.5 m、54.5 m處設置兩馬道平臺，平臺寬為3 m，馬道內(nèi)側(cè)設排水溝；高程54.5 m平臺以上采用草皮護坡 ，壩坡坡比均為1∶2.5。下游壩坡坡腳設排水棱體，排水棱體頂高程為54.5 m，頂寬為 3 m，外坡為1∶1.5，并于排水棱體頂部及底部分別設置排水溝。

由于土壩斷面較為單一，可以采用一個橫斷面模板完成。模型組件屬性可以定義為干砌石護坡、堆石體、路面、草皮護坡及排水溝等組件材質(zhì)，各組件增加材質(zhì)后，可直接使用工程量統(tǒng)計模塊。土壩使用的各種材料數(shù)量可快速得出，通過添加單價可以快速估算項目成本。在壩頭設計時，宜考慮設置約10 m的水平開挖末端條件，其優(yōu)先級也定為最高，可避免原地面坡度與大壩壩坡相近時出現(xiàn)設計坡頂過遠。

在方案階段，分別采用土壩、重力壩和瀝青心墻壩進行必選，由于重力壩壩段需要分縫，中間壩段是特殊的溢流壩，壩體內(nèi)部設有廊道等，適宜建立多個外輪廓橫斷面模板進行組合進行開挖邊坡設計，更精細的模型需要在OBD軟件制作再參考進OpenRoads軟件；瀝青心墻壩與土壩類似，可采用一個橫斷面模板完成(見圖6)。

圖6 土壩三維模型示意

3.2 溢洪道及下游河道的設計要點

溢洪道進口段長為115 m，底寬為14 m，底板高程為74.0 m，翼墻頂高程為84.5 m，根據(jù)邊坡巖性，翼墻坡比為1∶1～1∶0.3，土質(zhì)邊坡采用貼坡式混凝土擋墻護坡，巖質(zhì)邊坡采用錨桿掛網(wǎng)噴C20砼護坡。閘室段長為16.5 m。泄槽全長為116.0 m，等寬均為14 m布置，泄槽底坡為1∶2.96，兩側(cè)岸坡采用貼坡式混凝土擋墻。溢洪道采用挑流消能，沖坑長為102.5 m，末端以1∶4坡與河床銜接，出口河床高程為28.0 m(見圖7～圖8)。

圖7 溢洪道開挖模型示意

圖8 溢洪道控制閘室模型示意

首先溢洪道由進口段、控制段、泄槽段和挑流消能段組成，各段需采用不同的橫斷面模板，處理好過渡段的銜接需要進行特征定義覆蓋操作。其次溢洪道位于大壩左側(cè)，需要與大壩模型的銜接，根據(jù)施工工序，土壩模型是在溢洪道開挖模型與現(xiàn)狀地模剪切后的地模進行。最后溢洪道控制段基礎開挖深為40 m，宜根據(jù)不同的地質(zhì)巖層地膜采用不同的坡比，需理清模板末端條件設置優(yōu)先級，自動識別不同土層進行的開挖設計，當出現(xiàn)各土層模型穿插或缺失情況，需要對各組件規(guī)劃并按不同地層順序組裝不同的模板，最后合并到最終模板，并各組件模板給予不同的優(yōu)先級。

3.3 引水隧洞與取水塔的設計要點

引水隧洞結合施工導流洞布置，隧洞進口設水庫放空閘與導流隧洞結合，根據(jù)施工期導流要求，隧洞直徑為3.0 m，隧洞進口高程為37.5 m，出口高程為 33 m，長為329 m，斷面為圓形，洞徑為3.0 m，縱向底坡為1∶73，洞身段采用掛鋼筋網(wǎng)噴C20砼和現(xiàn)澆鋼筋砼復合式襯砌方式。為滿足引水、發(fā)電與放空要求，隧洞進口設取水塔，取水塔布置2孔閘，引水閘孔底高程為48.0 m。啟閉機布置于啟閉機房內(nèi)，啟閉機平臺高程為97.50 m，檢修平臺高程為92.5 m。隧洞出口設1條直徑為0.8 m的發(fā)電引水鋼管、1條直徑為1.0 m的放空管，其中放空鋼管末端設錐形閥室，用于下泄生態(tài)基流、灌溉及放空。

取水口設計結合水庫岸坡山體地形地貌和地質(zhì)條件，采用明挖方式，并把開挖巖坎改造為施工期的擋水圍堰，取水口設計的難點在于復雜場地的開挖設計。以往類似實體開挖體需要在3D-model中通過三維建模功能實線[9]，不但要保證開挖體與地形模型相交，也要考慮地質(zhì)條件不同對各級坡比的影響。OpenRoads可以很方便實現(xiàn)上述功能：使用“智能線”繪制開挖體最底部輪廓，設定封閉的輪廓線的特種定義及高程后，應用線模版直接形成開挖模型，線性模版中可根據(jù)不同地質(zhì)巖層設定不同坡比，各級馬道也同時形成。取水塔開挖模型示意見圖9，開挖地模參考取水塔模型示意見圖10。

圖9 取水塔開挖模型示意

圖10 取水塔模型示意

3.4 防汛道路的設計要點

庫區(qū)內(nèi)的人工邊坡主要為巖質(zhì)邊坡，少部分為土質(zhì)邊坡。庫區(qū)南岸采石場的人工邊坡坡高為20～50 m，局部50 m以上為陡崖，存在傾向坡外的不利楔形體，預計蓄水后存在坍塌、坍滑的可能性，一旦發(fā)生高速下滑失穩(wěn)引起涌浪，將對大壩安全運行產(chǎn)生不利影響。處理措施主要采用削坡形式，水下部分采用坡比為1∶2，水上部分采用1∶1.5(巖質(zhì))與1∶2(土質(zhì))。水下部分每10 m高設置一級馬道，水上部分每15 m高設置一級馬道，同時清除危巖。

為保證水庫防汛道路通暢，結合庫區(qū)岸坡穩(wěn)定處理的馬道基礎上修建防汛公路總長為1.5 km，路面大部分高程為85.0 m。道路設計采用3級公路雙車道，標準為混凝土雙車道，路寬為6 m，路基寬度為7 m，在公路臨水庫的一側(cè)，每隔3 m布置高為0.6 m的砼警示墩。沿線經(jīng)過地段為采石場，地形陡峻，山梁與沖溝相間分布，溝谷發(fā)育，局部地段高差相差很大，設計期間，采石場地形不斷變化，線路多次調(diào)整。

高效率道路三維設計最理想的方法是定制包含各種設計情況的橫斷面，沿路中心線放樣與地形相交，挖、填方，擋土墻，電纜溝和邊坡等設計處處符合要求[10]。設計邊坡應根據(jù)地質(zhì)條件進行調(diào)整，本防汛道路共采用了4種不同橫斷面以滿足復雜地形。《公路工程技術標準》(JTGD 20—2017)明確規(guī)定了視距要求，行車視距主要分為停車視距、會車視距和超車視距[11]。OpenRoads可以模擬車輛的實際駕駛環(huán)境，以計算從前方道路上看到的物體到駕駛員視點的最長距離，即三維空間視距來判斷是否符合規(guī)范要求。防汛道路及高邊坡治理三維模型示意見圖11。

圖11 防汛道路及高邊坡治理三維模型示意

3.5 樞紐組裝要點

水利工程具有很強的系統(tǒng)性和綜合性[12]。各專業(yè)完成之后，在 OpenRoads 內(nèi)完成全專業(yè)模型組裝，通過統(tǒng)一坐標系的建立，以項目模型參考的方式實現(xiàn)各類建筑物的無縫對接。模型對接完成后，進行三維沖突分析，有效保證項目間的協(xié)調(diào)，改善水利工程中各階段與各部門的“信息孤島”現(xiàn)象[13],提高設計質(zhì)量，減少后期建設階段面臨著頻繁、重復的方案調(diào)整。

4 結語

目前設計單位采用的BIM設計最多應用是翻模，但BIM設計不僅是一場工具層面的技術革命， 也是設計流程和設計理念的革新，對比傳統(tǒng)的二維設計更加高效、直觀，且工程量計算精確、快速。BIM正向設計是指在三維環(huán)境中直接設計。使用三維模型及其信息，自動生成必要的圖形文件，模型信息數(shù)據(jù)一致，以后可以后續(xù)傳遞。本文以某新建水庫為例，基于OpenRoads技術的正向設計流程，總結水庫大壩、溢洪道及下游河道、引水隧洞與防汛路等主要水工建筑的正向設計所要注意要點，完成設計優(yōu)化、工程量計算、工程價格、圖紙繪制等一系列工作，提高設計完成率和精度，減少二維設計盲區(qū)，為后期模型服務建設提供可能性，同時說明水庫工程中采用BIM正向設計是可行的。